【《基于单片机的智能灌溉控制系统设计》7600字（论文）】

基于单片机的智能灌溉控制系统设计摘要现有的灌溉系统的研究与发达国家相比还有较大的差距，即使有个别地区实地部署了能够实现智能控制的灌溉系统，也不能够科学化的进行智能灌溉。所以针对上述的农业生产中存在的问题，本文设计了一种基于单片机的智能灌溉系统，通过实时的检测土壤的湿度来判断是否需要进行灌溉和灌溉的用量，更好的对农业生产服务，从而提高灌溉效率的同时节约水资源。本文设计一种基于单片机的智能灌溉控制系统，此系统以STC89C52为主控芯片；模数转换芯片ADC0832、GSM模块SIM800C、水泵、按键、继电器、YL-69土壤湿度传感器、LCD1602液晶显示屏和蜂鸣器等模块。本系统能够实时的检测土壤中的湿度，当湿度过低时启动灌溉程序，同时通过GSM模块发送短信到指定工作人员手机上。本系统使用Proteus仿真软件和Keil编程软件完成软件设计，最终实现的实物能够实现预计的功能，具有一定的实用意义。关键字：灌溉系统，YL-69土壤温湿度传感器，ADC0832，STC89C52，GSM模块目录第1章绪论 11.1设计背景与意义 11.2国内外研究现状 21.3研究内容 2第2章设计方案 42.1设计概述 42.2土壤湿度检测部分方案设计 52.3报警部分方案设计 5第3章系统硬件设计 63.1总体硬件设计 63.2STC89C52单片机最小系统 63.3水泵驱动电路设计 73.4土壤湿度采集电路设计 83.5蜂鸣器及按键电路设计 93.6GSM模块电路设计 10第4章系统软件设计 114.1程序流程及框架 114.2GSM模块程序设计 114.3ADC0832程序设计 124.4软件仿真 13第5章系统调试 155.1原理图 155.2实物功能测试 15结论 17参考文献 19

第1章绪论1.1设计背景与意义随着科学技术水平的提高，农业也应该追求更加科学化和智能化的现代农业，而不再满足于传统农业低效率的种植和灌溉方式，这样农业的发展才会越来越好，我国的人民的生活环境也会越来越好。现代农业的着手点有两点，首先是由于水资源匮乏引发的灌溉节水问题，其次是更长远考虑的科技化、智能化、标准化的问题。灌溉节水问题中的水资源对于农业是不可或缺的关键资源，是传统农业的命脉所在；现阶段水资源的使用已经成为可持续发展的一个核心问题。尤其是我国的水资源相对有限，过去几十年对工业无节制的发展更是对水资源环境造成了难以恢复的污染。所以要实现水资源的合理利用，重视节约和高效，是现阶段我国农业和我国其他行业都需要重视的问题，对于现代农业而言，采用智能化的灌溉技术是当前急需解决的关键问题，也是目前社会供水、节水技术发展的总体趋势。现代农业的根本出路在于进行一次扎根于农业农村的技术革新，这其中灌溉技术尤其需要有一个大的发展。灌溉技术制约了我国农业的发展[1]，在传统农业灌溉方式中通常都是粗放型的漫灌，需要远超土地容量的水资源漫过农作物，而且需要占用大量的劳动时间，等待水流慢慢的覆盖过去。这种漫灌的方式不止无法有效的控制灌溉的效率，而且过于浪费水资源的使用，大部分水资源都会重新渗入地下或者蒸发到空气中，只有很小的一部分被农作物吸收服务于农业；所以必须首先发展节水灌溉控制技术[2]。对于绝大部分农作物而言，获取水分的主要途径都是从土壤中汲取，所以土壤湿度的高低直接影响了农作物的水分供应情况。如果土壤湿度低于农作物所需，即使勉强结出果实，果实的品质和产量也较差；如果土壤湿度过高，会影响农作物根系对于氧气的吸收，恶化土壤通气性和共生微生物的生存[3]。所以针对上述的农业生产中存在的问题，本文预计设计一种基于单片机的智能灌溉控制系统，服务于农业生产，提高农业灌溉的效率的同时节约水资源。1.2国内外研究现状西方发达国家因为人口较少，人工成本高，所以很早就开始尝试机械化、自动化农业生产方式，尤其是在工业革命之后为农业机械化、自动化提供了技术支持后，西方发达国家农业现代化的进程迅速展开。发达国家发展高效农业的最重要的环节就是灌溉系统的智能化[4]。比如美国、英国等国均使用着世界领先的灌溉系统[5]。以色列地处缺水地带，最早尝试更加节水的微灌技术[6]。澳大利亚等国家采用程控的灌溉控制器[7]，能结合农作物的生长情况比如直径变化来控制灌溉的间隔。计算机化操作能够实现更加多样性的功能，是未来灌溉系统发展的趋势之一。总之，国外的灌溉系统设计起步较早，而且因为社会需求明确，所以基本已经趋于标准化、自动化，并且还在向规模化的方向发展。我国曾在20世纪先后引进和学习了以色列等国家的先进灌溉系统，但是因为价格昂贵、后期维护成本高、应用场景单一等原因没有得到普及，而且我国地大物博，土壤环境复杂，需要针对性的开展灌溉系统的开发与创新。我国对于三农问题始终摆在最重要的位置上，我国对于灌溉技术的创新从70年代就开始尝试，比如70年代的合瓦地灌排工程[8]。从1975年开始，华中农业大学进行了渗灌试点[9]，渗灌指的是将水直接引入田面深处，土壤会发散水分，供上层农作物的根系吸收，但是这种方式只适用于下层土壤透水性极佳的地区，有局限性。我国在上个世纪对于节水灌溉技术的发展做了许多尝试，但是大部分都仅限于试验阶段，存在种种的局限性，所以不能够大规模的广泛落实，没有实质性的改变农业灌溉的方式。而且当时自动化、智能化的思想还不够普及，所以上述尝试都没有采用自动化控制的方式，主要是对灌溉方式的尝试。进入21世纪以来，我国节水灌溉技术的自动化研究开始起步。比如中国农业机械化研究院通过程序控制的温室自动灌溉施肥系统[10]和使用8031单片机研制的自动化灌溉控制系统[11]，这类灌溉系统能够实际使用，但是存在成本较高和可靠性较差的缺点。我国灌溉系统的研究与发达国家相比还有较大的差距，不能够科学化的进行智能灌溉。1.3研究内容所以针对上述的农业生产中存在的问题，本文设计一种基于单片机的智能灌溉系统，通过实时的检测土壤的湿度来判断是否需要进行灌溉和灌溉的用量，真正的服务于农业生产[12]，提高农业灌溉的效率的同时节约水资源。方案设计图如图1.1所示。图1.1方案设计图本系统根据上述使用需求，主要分为两部分展开设计，首先是对土壤湿度进行实时的精确的测量，其次根据农作物的特性和实时的湿度结合判断灌溉系统的灌水量，并且启动灌溉系统，将传统的人工经验判断灌溉用量用时改进为自动的适时适量的灌溉控制。该系统应该在没有人工控制时实现自动控制，对土壤湿度实时的检测，根据实际需求对农作物进行灌溉。此外，为了结合人工控制，本系统还需要深入探索报警部分通过多种方式报警，及时的让工作人员了解到灌溉系统的工作状态。

第2章设计方案2.1设计概述智能灌溉系统使用STC89C52单片机为智能控制核心[12]，通过湿度传感器把土壤湿度信息传送给STC89C52单片机，STC89C52单片机对湿度数据进行实时的采集，并且转换成数字量，这一过程需要使用模数转换模块将土壤湿度电信号模拟量转换为数字量，数字量才能被STC89C52单片机存储和处理。如果采集到的湿度数值小于通过按键模块设置的下限时，说明农作物处于缺水的状态，STC89C52单片机会发出报警信息，同时通过引脚驱动继电器闭合，启动水泵给农作物浇灌。与此同时，报警信息还会通过GSM模块向相关人员发送短信，用于提醒相关人员农作物缺水，智能灌溉系统将会自动浇灌。随着不断的浇灌，土壤湿度会显著提升，当STC89C52单片机采集到的湿度数值大于通过按键设置的上限时，说明农作物的土壤湿度已经足够，不需要继续浇灌了，此时STC89C52单片机关闭继电器给水泵断电，完成本次灌溉的流程，等待下一次土壤湿度数值低于设定的下限时再次重复上诉过程。与此同时，LCD1602液晶显示屏上实时显示采集的湿度数值，使用人员可以通过按键对湿度的上下限进行合理的调整。本系统中使用的具体模块包括YL-69土壤湿度传感器、模数转换芯片ADC0832、LCD1602液晶显示屏、GSM模块SIM800C、按键、5V水泵、继电器模块和蜂鸣器等模块。本系统通过实时的检测土壤湿度的方式来控制水泵，而不是传统意义上的定时定点浇灌，更能适应农作物最真实的用水需求。本系统主要需要实现以下功能：1.使用YL-69土壤湿度传感器实时的采集土壤湿度模拟值；2.使用模数转换芯片ADC0832将土壤湿度模拟值转换为数字量[13]；3.通过分析农作物的需水情况设置浇灌的上下限；4.当土壤湿度数值低于设定湿度下限时启动水泵，反之关闭水泵；5.当土壤湿度数值低于设定湿度下限时发出报警信息，包括蜂鸣器响起和GSM模块发送短信到指定工作人员手机；6.LCD1602实时显示采集到的湿度数值。2.2土壤湿度检测部分方案设计本系统使用YL-69土壤湿度传感器采集土壤湿度[14]，该款土壤湿度传感器采集到的是模拟量的数据，通常需要使用专用的模数转换芯片或者内置模数转换芯片的单片机进行模拟量到数字量的转换，因为单片机等数字系统都只能存储和处理数字量。而STC89C52单片机作为一种经典并且传统的单片机，并没有内置高精度的模数转换器，所以STC89C52单片机只能接收数字量传感器值。方案设计图如图2.1所示。图2.1方案设计图所以本系统中使用常见的模数转换芯片ADC0832来转换土壤湿度模拟值。模数转换芯片ADC0832是款小型、便捷的模数转换芯片，适用于对精度要求不是特别高的应用场景，本系统中不用采集精度太高的土壤湿度模拟量。2.3报警部分方案设计为了结合人工控制，本系统还需要深入探索报警部分通过多种方式报警，及时的让工作人员了解到灌溉系统的工作状况。常见的报警方式比如蜂鸣器、灯光、蓝牙、微信公众号、人工报警等方式，本系统综合考虑实现成本和实用意义后决定使用蜂鸣器和短信两种报警方式。有源蜂鸣器报警是比较常见的报警方式，不同于无源蜂鸣器，有源蜂鸣器在通过三极管驱动时往往只需要高低电平进行控制，会发出清脆的“滴滴”声。短信报警需要使用GSM模块SIM800C，GSM模块SIM800C基于移动蜂窝网向手机用户发送短信，能够在工作人员不在智能灌溉系统附近时也能通知工作人员灌溉系统的工作状态。

第3章系统硬件设计3.1总体硬件设计本系统的总体硬件设计包括STC89C52最小系统、GSM短信模块SIM800C、LCD1602液晶显示屏、水泵驱动电路、蜂鸣器、按键模块、ADC0832模数转换模块、YL-69土壤湿度传感器由八个部分组成。系统框图如图3.1所示。图3.1系统框图其中STC89C52单片机最小系统坐镇中心，负责协调各个模块进行智能控制以及对湿度数据的分析及对比判断；YL-69土壤湿度传感器采集土壤湿度[15]；ADC0832模数转换模块再将输出数字量供STC89C52单片机处理；继电器电路能够控制水泵的供电，执行STC89C52单片机的指令，起到驱动水泵浇灌的作用；按键模块设置上下限；LCD1602液晶显示屏用来实时的显示采集的湿度数值[16]；蜂鸣器通过响起发出报警信息；GSM短信模块发送短信来向工作人员传达报警信息。3.2STC89C52单片机最小系统STC89C52单片机的最小系统是STC89C52单片机正常运行所需的外围电路，主要包括时钟电路和复位电路[17]。在复位电路中，根据STC89C52单片机RST引脚高电平复位的特点，使单片机连续保持高电平两个周期，即1ms后复位。本设计中的复位电路有两种；一是按键复位；用户按键时，按键两端连接，单片机复位；另一种是电容上电时，由于电容的充放电特性，上电时RST引脚进入高电平状态，单片机进行复位。单片机最小系统如图3.2所示。图3.2单片机最小系统3.3水泵驱动电路设计水泵在电路设计中可以等效成一个普通的电机，所以水泵启动时需要的工作电流较大；而STC89C52单片机等其他单片机都是用作智能控制的领域，不擅长大电流驱动外设。所以本系统中经过查阅资料决定使用继电器隔离STC89C52单片机系统和水泵，把水泵驱动的过程分为两部分，分别是STC89C52单片机系统驱动继电器闭合同时继电器闭合给水泵供电。水泵驱动电路如图3.3所示。图3.3水泵驱动电路因为继电器也是需要一定工作电流才能驱动的模块，所以本系统使用8550三极管驱动继电器闭合，8550PNP型三极管常用于放大微弱的控制电流信号，能够输出较大的电流。在P20引脚输出低电平时，8550型三极管导通，继电器给水泵供电。3.4土壤湿度采集电路设计YL-69土壤湿度传感器通过两个电极间的电阻值来检测土壤湿度值，当土壤环境中的湿度值改变时，湿度数据就被转换成了电信号。YL-69土壤湿度传感器的外围电路比较简易，主要是104滤波电容和10K的上拉电阻。滤波电容用于滤除干扰信号，上拉电阻能够确保通信的可靠性。YL-69土壤湿度传感器与模数转换芯片ADC0832的CH0引脚相连。YL-69土壤湿度传感器电路如图3.4所示。图3.4YL-69土壤湿度传感器本系统使用常见的模数转换芯片ADC0832来输出土壤湿度数字量[18]，模数转换芯片ADC0832的分辨率足够满足绝大部分模拟量的量化精度。它的特点是兼容性强、使用方便，而且转换速度和转换精度都能满足绝大部分情况的需求，转换时间为32us，所以经常和各种单片机配合制作模拟量采集系统。ADC0832引脚图如图3.5所示。图3.5ADC0832引脚图模数转换模块ADC0832的模拟量输入有两种方式，其中一种是通过CH0和CH1引脚分别作为两个通道采集两种不同的模拟量数据，然后通过程序对模数转换模块ADC0832的内部寄存器进行配置，选择对应的通道进行转换和输出；另一种方式是通过CH0和CH1引脚作为差分输入的两个引脚IN+/-使用，减小采集的模拟量的误差。本系统使用YL-69土壤湿度传感器[19]，从实用性的角度出发选择第一种方式，从CH0通道输入采集到的土壤湿度模拟量，CH1通道闲置悬空。ADC0832外围电路如图3.6所示。图3.6ADC0832外围电路模数转换模块ADC0832的外围电路比较复杂，且通常将DO和DI引脚一起连接到STC89C52单片机接收模拟量数据的引脚上。CS引脚和CLK引脚都是控制引脚，其中CS引脚因为本系统中只用了一个ADC0832模块，所以始终拉低既可。CLK引脚顾名思义是时钟引脚，提供时序[20]。模数转换模块ADC0832的DO引脚与STC89C52单片机的P11引脚相连、CS引脚与P12引脚相连、CLK引脚与P10引脚相连。3.5蜂鸣器及按键电路设计在本系统中的辅助电路主要是蜂鸣器电路和按键电路设计，蜂鸣器电路的作用是报警，按键电路设置上下限。当8550三极管导通时，蜂鸣器地端接地，蜂鸣器响起[21]。蜂鸣器与STC89C52单片机的P20引脚相连，蜂鸣器报警如图3.7所示。图3.7蜂鸣器报警在按键电路中的按键被按下时，STC89C52单片机检测到低电平，表示按键被按下[22]。按键电路与STC89C52单片机的P32、P33、P34引脚相连。按键电路如图3.8所示。图3.8按键电路3.6GSM模块电路设计本系统中使用GSM模块SIM800C发送短信，GSM模块集成度较高，所以通信方式采用的是串口通信，GSM模块的外围电路都已经封装在模块内部，不需要使用者考虑外围电路的设计。GSM模块SIM800C如图3.9所示。图3.9GSM模块SIM800CGSM模块电路主要就是电源滤波和串口通信，通过P30和P31串口通信引脚与STC89C52单片机进行通信。为了减小电源的波动，所以使用470uf电解电容给电源滤波。

第4章系统软件设计4.1程序流程及框架系统程序流程主要是采集土壤湿度数据、土壤湿度数据分析、土壤湿度处理三大部分，还包括按键设置上下限、蜂鸣器等其他辅助程序。程序流程图如图4.1所示。图4.1程序流程图详细的程序流程首先是对湿度上下限赋初值，然后再LCD1602上进行显示；接下来控制ADC0832读入湿度数据，先判断湿度数据是否低于湿度下限，若低于湿度下限则启动水泵并报警；当湿度逐渐上升且高于下限时，解除警报，继续启动浇水；当湿度高于湿度上限时停止浇水；与此同时循环检测按键是否被按下，如果被按下则设置湿度上下限。4.2GSM模块程序设计GSM模块驱动程序中主要是通过几种常用的AT指令设置GSM模块的工作参数、短信号码等信息，最后写入短信的内容，就能实现基本的发送短信的功能。GSM模块驱动程序如图4.2所示.图4.2GSM模块驱动程序4.3ADC0832程序设计ADC0832驱动程序设计主要包含下面三个步骤，首先是配置相关参数初始化ADC0832模块，然后选择通道开始转换，最后等转换结束后读取数字量传感器数值。模数转换流程如图4.3所示。图4.3模数转换流程在ADC0832模块开始运行时，STC89C52单片机提供时钟脉冲，同时拉低CS引脚启动ADC0832模块。然后在第一个时钟脉冲到来的时候，DI引脚会置高电平[22]，STC89C52单片机检测到高电平知晓ADC0832模块已经完成初始化，可以开始转换。ADC0832模块时序图如图4.4所示。图4.4ADC0832模块时序图随后在后续的时序中在DO端口给STC89C52单片机传输采集到的传感器数据的高八位和低八位，还可能包含相关的起始位、终止位和校验码。4.4软件仿真仿真使用的Proteus仿真软件[23]，仿真图如图4.5所示：图4.5ADC0832仿真图在本次仿真分析中，主要对ADC0832模块、按键模块、LCD1602液晶显示屏、蜂鸣器、LED灯和继电器进行了仿真，土壤湿度传感器和GSM模块因为需要跟外界环境交互，所以无法参与软件仿真。在仿真过程中，使用滑动变阻器代替土壤湿度传感器参与仿真，经过此次仿真基本初步的验证了设计思路和程序的可行性。

第5章系统调试5.1原理图原理图使用AltiumDesigner绘制，能够直观的反应模块之间的电路连接情况，如果后续需要还可以在原理图的基础上绘制PCB图以及制板。原理图如图5.1所示。图5.1原理图5.2实物功能测试实物包括供电部分、STC89C52单片机最小系统、GSM模块、水泵驱动部分、蜂鸣器模块等模块。实物图如图5.2所示。图5.2实物图经过测试，实物能够实现预计的功能，具体测试实现的功能如下：1、按键能够设置上下限；2、LCD1602液晶显示屏能够显示湿度数据；3、湿度数据过低时水泵能够启动，同时蜂鸣器报警、GSM模块发短信；4、湿度过高时水泵关闭，蜂鸣器解除警报；

结论本文设计了一种基于单片机的智能灌溉控制系统，通过实时的检测土壤的湿度来判断是否需要进行灌溉和灌溉的用量，更好的对农业生产服务，从而提高灌溉效率的同时节约大量的水资源。智能灌溉系统除了能够显著减少劳动量以外，更重要的是它能够根据实际需求科学化的给农作物补充水分，在满足产量的同时节水节能。本系统以STC89C52单片机作为智能控制的核心，并且完成了相应系统的软件和硬件设计，实现了基于单片机的智能灌溉控制系统设计。本系统能够实时的检测土壤中的湿度，当湿度过低时启动灌溉程序，同时通过GSM模块发送短信到指定工作人员手机上。本系统使用Proteus仿真软件和Keil编程软件完成软件设计，最终实现的实物能够实现预计的功能，具有一定的实用意义。

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